長圓柱棒料稱重量長系統(tǒng)設(shè)計研究 *

王茂盛，王全先，劉 遠

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002； 2.特種重載機器人安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)的測量環(huán)節(jié)，需要對一些產(chǎn)品進行長度測量和質(zhì)量稱重。測量方式有離線測量和在線測量，相比較于離線測量，在線測量具有作業(yè)時間短、強度低、效率高等優(yōu)點，同時還能將所測得的數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)狡髽I(yè)的制造業(yè)信息化系統(tǒng)中，有利于工作人員隨時核對產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、信息化，進而提高企業(yè)生產(chǎn)的效率[1-2]。為了確保在產(chǎn)品的稱重與測長環(huán)節(jié)中所提供的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高[3]，在此次測量方案中，采用了非接觸式測量中的激光測距技術(shù)和電子稱重技術(shù)，以保證足夠的測量精度，減少人工測量所帶來的較大誤差干擾。

目前在長圓柱棒料的稱重量長裝置的研發(fā)上，國內(nèi)有運用輥道運輸棒料，采用液壓連桿升降機構(gòu)[4-5]將棒料頂起稱重，但該裝置只是針對棒料的稱重，缺乏長度測量，而且對輥道下方的空間要求比較高。也有一些裝置將稱重與量長分為兩個工位，即先完成對棒料的長度測量，接著將棒料運輸?shù)椒Q重工位進行稱重[6-7]，這樣在測量效率上比較低下。此文筆者通過對測量系統(tǒng)功能要求的分析，得出長圓柱棒料稱重量長的機械系統(tǒng)與測量原理，設(shè)計出稱重量長裝置，并對長度測量系統(tǒng)進行標(biāo)定，使得棒料的長度測量誤差達到企業(yè)要求的小于3 mm，解決了企業(yè)的實際生產(chǎn)需求。

1 測量系統(tǒng)功能要求

1.1 測量系統(tǒng)應(yīng)用范圍

長圓柱棒料的直徑φ380～φ450 mm；長度2 000～7 000 mm；最大稱重質(zhì)量：7 t。

1.2 測量系統(tǒng)技術(shù)功能要求

長圓柱棒料稱重量長的自動實現(xiàn)；稱重量長系統(tǒng)測量誤差為：質(zhì)量(鋼)≤50 kg,長度≤3 mm；稱重量長系統(tǒng)具有從露天跨到鋸切車間的傳送功能；連續(xù)稱重量長3 min/根；稱重量長控制系統(tǒng)能控制全部輥道和測量裝置；測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能存盤并將所測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES系統(tǒng)。

2 長圓柱棒料稱重量長系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總系統(tǒng)

長圓柱棒料的稱重量長系統(tǒng)由機械系統(tǒng)、通信模塊、電子元件、控制系統(tǒng)、顯示終端等組成，如圖1所示。

圖1 稱重量長系統(tǒng)框圖

該稱重量長系統(tǒng)需要控制的電機信號及傳感器信號較多，利用PLC接受激光傳感器、接近/光電開關(guān)、稱重模塊等傳感器的信號。將接收到的信號經(jīng)過CPU處理和判斷，然后由CPU控制液壓缸、減速機組等運動。圖中的HMI通過TCP/IP與CPU和本地數(shù)據(jù)庫SQL SERVER進行通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控和操作員命令的下達。本地數(shù)據(jù)庫與MES服務(wù)器通過SQL SERVER JOB功能，完成計劃的下達和完成計劃的回傳。

2.2 機械系統(tǒng)與測量原理

長圓柱棒料的稱重量長的機械系統(tǒng)示意圖如圖2所示，由露天跨輥道2、激光測距傳感器3、稱重裝置4、中間輥道5、鋸切跨輥道6等組成。該測量裝置將激光測距技術(shù)和稱重技術(shù)設(shè)計在一個工位上，使得在對圓柱棒料進行稱重的同時也能夠完成長度的測量，有效地縮短了圓柱棒料在稱重和量長工序上所花費的時間。在每個輥道組之間分別安裝光電開關(guān)，能夠?qū)﹂L圓柱棒料在輥道上實現(xiàn)送料、測長和稱重的自動定位控制。通過PLC接受信號，由CPU控制液壓缸、驅(qū)動輥道運行的減速電機組的工作。

圖2 稱重量長系統(tǒng)示意圖1.棒料 2.露天跨輥道 3.激光測距傳感器 4.稱重裝置 5.中間輥道 6.鋸切跨輥道

工作運行基本原理及過程為：棒料1經(jīng)由吊車在露天吊到露天跨輥道2上，由露天跨輥道2將棒料1運輸至測量區(qū)域。當(dāng)接受到光電開關(guān)信號時，系統(tǒng)控制中間輥道5停止，待棒料1穩(wěn)定后，啟動稱重和測長系統(tǒng)，稱重裝置4中的液壓缸伸出，由稱重裝置4采集長圓柱棒料的質(zhì)量，同時由兩個對向布置的激光測距傳感器3測出激光器到棒料1前后兩個端面的距離再經(jīng)標(biāo)定值計算出棒料長度，最后將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES系統(tǒng)中。測量完畢，液壓缸下降并將棒料1放置在中間輥道5上，輥道繼續(xù)工作將棒料運輸至鋸切跨輥道6。重復(fù)上述操作則可以實現(xiàn)后續(xù)棒料的稱重與長度測量。

3 圓柱棒料稱重量長裝置的設(shè)計

3.1 圓柱棒料稱重量長的機構(gòu)設(shè)計

如圖3所示，長圓柱棒料的稱重量長裝置包括稱重、量長、輥道運輸三大部分，由輥道、液壓缸、激光測距傳感器、稱重模塊、光電開關(guān)、接近開關(guān)等組成。液壓缸安裝在輥道下方，分別與上方所處的中間輥道錯位布置。在被測棒料的上方，相向安裝兩個激光測距傳感器，能夠滿足對棒料進行長度測量的同時也能稱重。

圖3 稱重量長裝置示意圖

為了便于測量不同長度的圓柱棒料的質(zhì)量及長度，設(shè)計兩組稱重裝置，每組四個稱重模塊，其中相距3 100 m的兩個稱重裝置用來測量4.5～7 m(圖中實線和虛線部分)的圓柱棒料的質(zhì)量，當(dāng)測量4.5 m以上的圓柱棒料時，全部由圖中所示的1#光電開關(guān)定位，在稱重前由2、3號光電開關(guān)判斷相應(yīng)的兩個油缸上方的輥道處是否有棒料。相距1 800 m的稱重裝置測量2～4.5 m的圓柱棒料的質(zhì)量(圖中實線部分)，當(dāng)測量2～4.5 m的圓柱棒料時，需要人工進行確定位置，此時在稱重前由4、5號光電開關(guān)確認對應(yīng)的液壓缸上方是否有棒料。每個液壓缸外側(cè)分別設(shè)置一個光電開關(guān)，用來判斷中間輥道上是否有圓柱棒料，如果液壓缸上方的輥道上沒有圓柱棒料，則液壓缸不頂伸。另外再設(shè)置兩個上下接近開關(guān)，用來確定液壓缸的頂伸位置。

當(dāng)圓柱棒料從右往左移動到中間輥道，1#光電開關(guān)有信號時，同時液壓缸對應(yīng)的光電開關(guān)2#和3#，或者4#和5#有信號時，即液壓缸上方有圓柱棒料，則相對應(yīng)的兩個液壓缸同時升起將圓柱棒料平穩(wěn)地頂起，當(dāng)?shù)竭_上接近開關(guān)時，棒料將位于兩個激光測距傳感器之間，上接近開關(guān)有信號后，由安裝在兩邊的1#和2#激光測距傳感器開始測量棒料的長度，與此同時棒料底部的稱重模塊測得棒料的質(zhì)量。測量完畢后，液壓缸復(fù)位，當(dāng)液壓缸下降至下接近開關(guān)時有信號，輥道電機組開始工作，啟動中間輥道，將圓柱棒料運輸至下一鋸切工位。

3.2 圓柱棒料的稱重裝置

稱重裝置如圖4所示。

圖4 稱重裝置示意圖

即圖3中A-A處的剖面圖，由液壓缸1、推頭2、稱重模塊3、V形座4等組成。在非稱重狀態(tài)時，液壓缸1處于縮進狀態(tài)，位于運輸輥道的下方。稱重裝置與輥道的輥子錯位布置，液壓缸1可安裝在中間輥道下方的水泥基礎(chǔ)上，推頭2安裝在液壓缸1活塞桿頭部上，在每個推頭2上對稱安裝兩個稱重模塊3，一套稱重裝置有四個稱重模塊，其中一個固定式、一個半浮動式、兩個浮動式，這樣可以確保稱重系統(tǒng)在受到外界影響而產(chǎn)生位移時，作用在傳感器上的受力點不變，保證測量精度以及良好的穩(wěn)定性，又可以防止因安裝問題而造成的相應(yīng)誤差[8]。V形座4安裝在兩個稱重模塊上，被測圓柱棒料直接落在兩個V形座4的接觸面上。

在稱重過程時通過液壓缸1推動推頭2和V型座4上升，將長圓柱棒料頂起，由圖示中的V形座4將圓柱棒料的質(zhì)量傳遞到底部的兩個稱重模塊上，即可測得圓柱棒料的質(zhì)量，進而完成對長圓柱棒料的稱重。測量完畢，液壓缸1復(fù)位，將棒料放在中間輥道上。系統(tǒng)發(fā)出信號，中間輥道開始工作將棒料送至下一工位。

稱重模塊選用SBT-FW型傳感器，采用合金鋼結(jié)構(gòu)，可直接安裝在地上或者基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，該稱重模塊的安全載荷可達150%，工作溫度范圍-10～70 ℃，具有高靈敏度2.0 mV/V，輸入阻抗387 Ω±20 Ω。稱重模塊采用如圖5所示的矩形布置，稱重模塊3安裝在V形座4和推頭2的中間，所以被測棒料的質(zhì)量為稱重模塊3測得的數(shù)值減去V形座4自身的質(zhì)量。該稱重裝置的精度取決于稱重模塊本身的精度，以及四個稱重模塊在安裝時出現(xiàn)的位置偏差。當(dāng)四個稱重模塊不處在同一水平高度時，會導(dǎo)致在稱重過程中棒料的質(zhì)量無法均勻的落在四個稱重模塊上[9]。上述的兩個原因都將會導(dǎo)致棒料在稱重時產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。

圖5 稱重模塊布置形式

3.3 圓柱棒料的量長機構(gòu)

量長裝置示意圖如圖6所示。

圖6 量長裝置示意圖1.棒料 2. 2#接近開關(guān) 3. 2#激光器 4. 1#接近開關(guān) 5. 1#激光器

在被測圓柱棒料1的上方，高于長圓柱棒料上母線50 mm處，相向安裝兩個相距7.4 m的1#和2#激光測距傳感器(以下簡稱激光器)。為了保證圓柱棒料1的長度測量精度，降低在測量過程中產(chǎn)生的誤差，在激光器的桿件頭部設(shè)計安裝兩自由度角度調(diào)整機構(gòu)，通過該調(diào)整機構(gòu)的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)，可以使得2個激光器3和激光器5所發(fā)射出的激光線能夠保持在同一直線上，并且盡量垂直于圓柱棒料1的端面。另外在每個激光器處分別設(shè)置一個接近開關(guān)2和4，防止被測圓柱棒料1撞到激光器3。

3.4 長度測量原理及標(biāo)定

長圓柱棒料的長度測量原理如圖7所示，由一對激光測距傳感器實現(xiàn)，通過2個傳感器相向發(fā)出的激光線，分別測出2個激光測距傳感器到棒料端面之間的距離，分別為h1,h2。則長圓柱棒料的長度H為：

H=(T-h1-h2)·cosθ

(1)

式中：θ為長圓柱棒料的軸線與激光線之間的夾角，由于長圓柱棒料軸線相對于激光器之間存在歪斜而產(chǎn)生；T為兩個激光測距傳感器之間的距離。

圖7 長度測量原理圖1. 1#激光器 2. 2#激光器 3.棒料

為了能夠標(biāo)定測量過程中的θ角和激光器之間的距離T，在正式測量前，先利用兩根已知長度H1和H2的長圓柱棒料分別放在測量裝置上，采用上述測量方法，2個激光測距傳感器分別測出激光器到長圓柱棒料的端面的距離為h11,h12和h21,h22，則：

(2)

由公式(1)可得，2個激光測距傳感器之間的距離T為：

(3)

根據(jù)公式(2)先對測量過程中存在的θ角進行標(biāo)定，計算出該角度值，接著利用公式(3)計算出2個激光測距傳感器之間的距離T，最后利用公式(1)則可以進行某長圓柱棒料長度的實測。

3.5 長度測量三維仿真

根據(jù)上述測量方法，在Creo4.0虛擬空間中建立測量模型。模擬激光器在測量時發(fā)出的激光線如圖8所示，激光線與棒料軸線的夾角為θ。

圖8 仿真測量模型

將已知長度h1為4 658 mm的棒料放入測量裝置，啟動測量系統(tǒng)，2個激光測距傳感器同時開始測量，分別得到h11=1 715.88 mm，h12=1 424.52 mm。同理，將另一根已知長度為h2為5 678 mm的棒料放入測量裝置，分別得到h21=1 116.39 mm，h22=1 003.66 mm。

根據(jù)公式(2)計算出：

再根據(jù)公式(3)計算出兩個激光器之間的距離：

而在Creo的虛擬空間中測得θ=1°30′36″，由此可得cosθ≈0.999 7。由上述計算可知，采用該方法標(biāo)定cosθ具有可行性。

在標(biāo)定激光器之間的距離以及激光線與棒料軸線的θ后，開始仿真測量。將待測的長圓柱棒料放入測量裝置中，依據(jù)上述步驟，得到兩個讀數(shù)h1=1 834.43 mm、h2=1 684.30 mm，根據(jù)公式(1)計算待測長圓柱棒料的長度為4 279.603 mm，在三維虛擬空間中，測量出該棒料的長度為4 279.809 mm，用本非接觸式激光測量方法測量的誤差為0.206 mm，達到企業(yè)小于的3 mm要求。

在該非接觸式激光測量方法中，采用的激光測距傳感器的型號為YF-YJA10，該激光器的測量精度為0.5 mm，重復(fù)精度為0.5 mm。測量系統(tǒng)經(jīng)標(biāo)定后，再經(jīng)過上述的三維仿真測試驗證其實際總測量誤差小于3 mm。

4 結(jié) 語

構(gòu)建的一種針對長圓柱棒料的運輸和自動稱重量長相結(jié)合的系統(tǒng)裝置，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，能夠?qū)﹂L圓柱棒料進行連續(xù)在線的測長與稱重，并且將所測得的數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸?shù)叫畔⒒圃霱ES系統(tǒng)中，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的信息化。

采用激光測距技術(shù)和電子稱重技術(shù)，降低人工測量過程中產(chǎn)生的偏差。通過將2根已知長度棒料的長度棒料的放入該測量系統(tǒng)中進行標(biāo)定，可以消除激光線與棒料軸線之間夾角帶來的測量誤差，同時又能準(zhǔn)確標(biāo)定2個激光器之間的距離。此測量系統(tǒng)中的長度測量誤差取決于激光器本身的測量精度，以及液壓缸頂伸時的升程誤差。針對液壓缸的升程誤差，在工作一段時間后，需要重新對測量系統(tǒng)進行標(biāo)定，確保測量精度可達到企業(yè)要求的小于3 mm。